1 Einleitung 2 Vom Zeichenbrett über Computer Aided Design zu ...

WORKSHOP „ELEKTROTECHNIK CAD“
FACHTAGUNG DER GI-FACHGRUPPEN 4.1.6 UND 4.2.1
STUTTGART, 18. JULI 2002
CAE SYSTEME DER DRITTEN GENERATION
– WAHRHEIT ODER VISION –
Dirk Schäfer, Dieter Roller, Daniel Böck (Universität Stuttgart)
Schlüsselwörter: Systemgenerationen, EES, Notwendigkeit, Anforderungen,
Realisierungsstand
1 Einleitung
Mitte der Neunziger Jahre hatten die damals im Einsatz befindlichen Elektro-CAD Systeme
der ersten und zweiten Generation den Zenit ihrer Leistungsfähigkeit überschritten. Sie
konnten den hohen, sich bereits abzeichnenden zukünftigen Anforderungen nicht mehr
gerecht werden. Aus verschiedensten Gründen war eine Weiterentwicklung dieser Systeme
nicht mehr sinnvoll möglich, so dass die Lösung in der Konzeption und Entwicklung einer
vollkommen neuen Systemgeneration lag.
Der vorliegende Beitrag fasst im Anschluss an einen kurzen Überblick über die Evolution des
Elektro-CAD die wichtigsten Gründe für die Notwendigkeit der Entwicklung einer neuen
Systemgeneration zusammen. Darauf folgend werden die an die so genannten CAE Systeme
der dritten Generation, häufig auch als „Electrical Engineering Solutions“ (EES) bezeichnet,
gestellten Anforderungen nochmals zusammenfassend dargestellt, um abschließend den heute
erreichten Entwicklungsstand aufzuzeigen.
2 Vom Zeichenbrett über Computer Aided Design zu Computer
Aided Engineering
2.1 Die erste Systemgeneration – Elektro-CAD
Die Entwicklungsgeschichte des Elektrotechnik-CAD beginnt vor etwa 20 bis 25 Jahren, also
beinahe zwanzig Jahre später als in den klassischen CAD-Anwendungsgebieten wie
Mechanik und Maschinenbau. Während innerhalb dieser Disziplinen Mitte des 20.
Jahrhunderts bereits weitreichende Forschungsergebnisse und praktische Erkenntnisse
vorhanden waren, befanden sich die moderne Elektrotechnik und Elektronik gerade erst in der
Entstehung. Infolgedessen entstand auch erst mit wachsendem Fortschritt in diesen Bereichen
ein erhöhter Bedarf an Rechnerunterstützung. Ein zweiter nicht unwesentlicher Aspekt für
den Vorsprung der CAD-Technologie im Mechanik- und Maschinenbaubereich (MCAD) ist
rein wirtschaftlicher Natur. Von jeher verfügten die namhaften Weltunternehmen aus
Copyright notice: This paper has been published in Roller, D. ; Schäfer, D. (Hrsg.):
ELEKTROTECHNIK CAD: CAE Systeme der dritten Generation. Aachen : Shaker, 2002. -
Berichte aus der Konstruktionstechnik. - Tagungsband zum Workshop in Stuttgart, Germany,
July 18, 2002. - ISBN 3-88322-0335-4, pp. 1-21. As a courtesy to the publisher, this paper may
not be reproduced or distributed in any form.

Maschinenbau, Automobilindustrie sowie Luft- und Raumfahrttechnik über enorme
finanzielle Mittel, mit denen sowohl weltweit führende Fachleute angeworben als auch
erstklassige Forschungseinrichtungen und Materialien bereitgestellt werden konnten. Ein
dritter Grund für die verzögerte Entwicklung der CAD Technologie im Elektrobereich ist,
dass bei der Systementwicklung nicht einfach auf die im Bereich des Mechanik-CAD
vorhandenen Erkenntnisse und Erfahrungen zurückgegriffen werden konnte. Die Ursache
hierfür liegt darin begründet, dass ECAD und MCAD von ihren spezifischen Anforderungen
und Aufgabenbereichen her zwei derart grundverschiedene Anwendungsgebiete sind und sich
die rechnergestützte Konstruktionsunterstützung daher nicht ohne weiteres von einem Bereich
auf den anderen übertragen ließ.
Die ersten ECAD Systeme verfolgten im wesentlichen das Ziel, die bis dato am Zeichenbrett
geleistete Entwurfsarbeit auf ein Computersystem abzubilden. Bei jenen Systemen stand also
die Unterstützung des Konstrukteurs bei der Erstellung von Stromlaufplänen im Mittelpunkt.
Die symbol- bzw. bauteilbasierte Stromlaufplanerstellung führte zu einer im Vergleich zu den
damals üblichen Bleistift- und Tuschezeichnungen auf Papier erheblich verbesserten Qualität
der Pläne. Einen weiterer Vorteil gegenüber konventionellen Papierzeichnungen boten die
besseren Modifikationsmöglichkeiten sowie eine platzsparendere Archivierung von
Konstruktionsprojekten auf digitalen Datenträgern. Darüber hinaus konnten einmal erstellte
Projekte bereits damals im Sinne von manueller Variantenkonstruktion durch Löschen,
Abändern und Hinzufügen von Konstruktionsdetails bzw. Teilkonstruktionen leichter als
zuvor in weiteren Projekten wiederverwendet werden. Eine Unterstützung von über die reine
Zeichnung hinausgehenden Prozessen war mit der im Zeitraum von etwa 1975 bis 1985
entwickelten ersten Systemgeneration allerdings noch nicht möglich. Infolgedessen blieb die
erhoffte große Produktivitätssteigerung in der Elektrokonstruktion daher letztendlich aus.
2.2 Die zweite Systemgeneration – Computer Aided Engineering
Ab etwa 1985 fand die Entwicklung der zweiten Systemgeneration von Elektrotechnik-CAD
Systemen statt. Als Entwurfsbasis diente bei diesen Systemen zwar immer noch der
Stromlaufplan, jedoch wurden die Systemfunktionalitäten um so genannte
Auswertungsfunktionen erweitert. Diese Auswertungsfunktionen ermöglichten direkt aus dem
Stromlaufplan heraus eine halbautomatische Generierung weiterer elektrotechnischer
Dokumentationsunterlagen, wie etwa Klemmenpläne, Anschlusspläne oder Stücklisten.
Halbautomatisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nach jeder Änderung des
Stromlaufplanes zur Aktualisierung der weiteren Projektdokumente ein neuer
Generierungslauf gestartet werden musste. Neben den Auswertefunktionen boten zahlreiche
Systeme bereits die Möglichkeit, über Kontrollfunktionen den Entwurf des Konstrukteurs
automatisch in Echtzeit auf eine Reihe potentieller Fehler (z.B. Kurzschlüsse) hin zu
überprüfen.
Da bei Elektrotechnik-CAD Systemen der zweiten Generation erstmals mehr als die reine
Konstruktionsarbeit (Computer Aided Design) unterstützt wurde, erfolgte im Sprachgebrauch
zunehmend eine Ablösung des Begriffs Elektro-CAD durch die neue Bezeichnung Computer
Aided Engineering (CAE).
2.3 Die Übergangsphase zwischen zweiter und dritter Systemgeneration
Die Zeit zwischen Mitte und Ende der neunziger Jahre beschreibt in bezug auf die
Elektrotechnik CAD Systemgenerationen eine Übergangsphase. Die in diesem Zeitraum
entwickelten Werkzeuge gehen einerseits über die Funktionalitäten der Systeme der zweiten

Generation weit hinaus, verkörpern andererseits allerdings bei weitem noch nicht das, was
von Systemen der nächsten (dritten) Generation erwartet bzw. ermöglicht werden sollte. Im
oben genannten Zeitraum wurden die Systeme der zweiten Generation vornehmlich
dahingehend erweitert, dass vor allem Schnittstellen zur Kopplung der CAE Systeme an
EDM, PDM und PPS Systeme realisiert wurden. Darüber hinaus war man bestrebt, innerhalb
der Unternehmen die diversen Einzelkomponenten der bestehenden DV-Landschaften zu
integrierten Gesamtlösungen zusammenzusetzen. Hierbei kam es vor allem darauf an,
geeignete Schnittstellen zwischen den Einzelanwendungen zu entwickeln. Vor diesem
Hintergrund wurde die Leistungsfähigkeit der damaligen CAE Systeme noch einmal erheblich
verbessert.
Bild 1: ECAD Systemgenerationen im Überblick
In diesem Sinne boten sich beispielsweise wesentlich effizientere Möglichkeiten zur
Projektverwaltung, die häufig aus der Entwicklung von Schnittstellen zu PPS, EDM sowie
PDM Systemen resultierten. Durch die damals strikte Orientierung der gesamten
Elektrokonstruktion und Anlagenprojektierung am Stromlaufplan war die Integration von PPS
und EDM/PDM Systemen allerdings häufig nur rudimentär zu bewerkstelligen, da ein
Großteil der schon vor Beginn der Elektrokonstruktion vorliegenden Projektinformationen
nach wie vor nicht im Hinblick auf eine effiziente Nutzung in die Systeme eingebracht
werden konnte. Eine diesbezüglich verbesserte Unterstützung des von den Unternehmen
gewünschten Konstruktions- und Fertigungsprozesses setzt aber gerade jene Durchgängigkeit
innerhalb der betrieblichen Abläufe, angefangen von der Kalkulation und Projektierung über
Basic- und Detail-Engineering bis hin zum Qualitätsmanagement und der Wartung, voraus.

3 Die dritte Systemgeneration – Electrical Engineering Solutions
3.1 Motivation und Notwendigkeit
Als vordergründigster Grund der Elektrotechnik-CAD einsetzenden Unternehmen für die
Entwicklung einer neuen Systemgeneration kann wohl der Wunsch nach einer schnelleren
Produktverfügbarkeit bei gleichzeitig niedrigeren Entwicklungskosten genannt werden. Als
Folgeerscheinung der zunehmenden Globalisierung der Märkte ergab sich Mitte der
Neunziger Jahre eine erneute drastische Verschärfung der Wettbewerbsbedingungen, der nur
mit wirklich neuen und innovativen Technologien entgegengewirkt werden konnte. Rasch
wurde klar, dass nur Unternehmen, die ihre Entwicklungskosten langfristig erheblich senken
und gleichzeitig eine Reduzierung des „Time-to-Market“ für ihre Produkte erreichen können,
auf Dauer diesem stetig steigenden Wettbewerbsdruck standhalten würden.
Obwohl die damaligen CAE Systeme stets um neue Funktionalitäten erweitert bzw. verbessert
wurden, wuchs proportional zur Leistungsfähigkeit der Systeme auch die Komplexität der
Aufgabenstellungen an, so dass letztendlich die Projektdurchlaufzeiten annähernd konstant
blieben. Die Gründe hierfür liegen hauptsächlich in den Entwicklungsmethoden der Siebziger
und Achtziger Jahre. Durch die damals entstandenen monolithischen Architekturen und das
wenig ingenieurmäßige Vorgehen bei der Systementwicklung wurden die System von der
Implementierbarkeit her immer schwieriger zu handhaben, was schließlich eine wirtschaftlich
vertretbare Wartbarkeit und Erweiterbarkeit nicht mehr zuließ. Schließlich erkannte man, dass
nur eine vollkommen neu entwickelte Generation von Systemen hier Abhilfe schaffen konnte.
Doch zunächst galt es, die an diese zukünftige Systemgeneration zu stellenden Anforderungen
so exakt wie eben möglich zu ermitteln. Da für die Entwicklung einer vollkommen neuen
Systemgeneration ein relativ langer Zeitraum benötigt werden würde, galt es, die
Anforderungen für dieses System so genau wie möglich zu spezifizieren. Aus diesem Grund
wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um sowohl die notwendigen
Anforderungen aus Sicht der Systemanwender als auch die der Softwareentwickler erfassen
zu können.
3.2 Anforderungen an die dritte Systemgeneration
3.2.1 Anforderungen aus Anwendersicht
Zwei der wichtigsten Basisanforderungen an Elektrotechnik CAD Systeme sind einerseits die
Verkürzung der Konstruktionszeiten und -kosten bei gleichzeitig möglichst steigender
Produktqualität sowie andererseits eine automatisierte Erzeugung vollständiger
Fertigungsunterlagen. Umfangreiche Untersuchungen unter den ECAD/CAE Anwendern
führten darüber hinaus insbesondere zu folgende an zukünftige CAE Systeme zu stellende
Anforderungen [1]:
• Optimale Nutzung von vorhandenen Ressourcen: Einbindung bereits existierender
Datenbestände und Nutzung der vorhandenen Erfahrungen und Techniken.
• Modularer Aufbau: Ein modular aufgebautes Elektrotechnik CAD System sollte aus
einem Grundpaket und mehreren darauf aufbauenden Zusatzmodulen bestehen, aus denen
sich der Anwender ein individuelles, auf seine Anforderungen zugeschnittenes Paket
zusammenstellen kann. Dadurch muss der Anwender keine für ihn überflüssige

Funktionen teuer bezahlen und kann trotzdem bei neuen Anforderungen sein System
entsprechend erweitern oder ändern.
• Simultanes Arbeiten im Mehrbenutzerbetrieb: Durch eine Parallelisierung des
Konstruktionsprozesses kann eine erhebliche Senkung der Entwicklungszeiten und der
Kosten erreicht werden.
• Modulentwurf durch OEM (Original Equipment Manufacturer) Partner: Da Anwender oft
eigene Probleme durch Einbindung selbst geschriebener Programme in das System lösen,
sollte es möglich sein, diese Lösungen auch anderen Kunden als vollwertige, vom
Systemhersteller anerkannte Module zur Verfügung zu stellen.
• Integration von bzw. zu externen Systemen: Für eine unternehmensweite Integration des
Elektrotechnik-CAD Systems kann dieses über Schnittstellen oder durch direkte
Kopplung mit allen Organisationssystemen der im Unternehmen etablierten DV-
Landschaft verbunden werden.
• Heterogener Ansatz: Im Normalfall ist das Computernetz eines Anwenders nicht homogen
gestaltet, sondern in ein heterogenes Netz (LAN und/oder WAN) integriert. Im Idealfall
verhält sich dieses wie ein homogenes Netz und erlaubt den transparenten Zugriff auf
Computer mit unterschiedlichen Betriebssystemen, der nur auf Applikationsebene
realisiert werden kann.
• Modellierer: Um in jeder Phase des Produktlebenszyklus, von der Idee über die
Konstruktion und Produktion bis hin zum Recycling, ein anschauliches Modell generieren
zu können, werden geeignete Modellierer benötigt. Diese sollen alle Einflüsse auf das
Produkt sichtbar machen. Die daraus entstehende Komplexität scheint in vollem Maße
jedoch nur schwer realisierbar zu sein.
• Konsistente und konfigurierbare Benutzungsoberfläche: Dies schließt die Unterstützung
von Standards, intuitive Bedienbarkeit und Anpassung an das Benutzerverhalten ein.
• Unterstützung von effizienten Mechanismen zur Handhabung von Konstruktionsvarianten.
Neben den oben aufgelisteten Punkten wurden von den Anwendern häufig auch der Wunsch
nach verbesserten Online-Kontrollmechanismen, „intelligenten” Bauteile, aktiver und
passiver Konstruktionsunterstützung, einheitlichen Bauteilkonzepten sowie Möglichkeiten zur
Skizzeneingabe von Konstruktionsentwürfen genannt.
3.2.2 Anforderungen aus DV-Sicht
Bei den Elektrotechnik-CAD Systemen der ersten und zweiten Generation traten, wie bei
anderen Software-Produkten auch, erhebliche Probleme bezüglich der funktionellen und
strukturellen Erweiterbarkeit auf. Diese beruhten vor allem auf der unzureichenden
ingenieurmäßigen Planung bei deren ursprünglichen Entwicklung. Infolgedessen sollten bei
der Konzeption und Entwicklung einer neuen Systemgeneration insbesondere aktuelle
Aspekte des modernen Software Engineering berücksichtigt werden.
Folgende Anforderungen für die Systementwicklung seien diesbezüglich genannt [1]:
• Modularer Aufbau: Ziel ist ein offenes System mit hoher Wiederverwendbarkeit und
niedrigem Wartungsaufwand.
• Transparente Systementwicklung: Um verschiedene Betriebssysteme zu unterstützen, ist
ein systemübergreifendes Modulkommunikationskonzept erforderlich.

• Modulentwicklung durch Dritte: Da ein großes spezifisches Wissenspotential bei den
Anwendern der Software liegt, sollte dieses Wissen in die Modulentwicklung eingebracht
werden. Dies erfordert Outsourcing in der CAD Entwicklung und ein generisches
Modulkonzept.
• Integration von bzw. zu externen Systemen: Die Bereitstellung von
Integrationsschnittstellen um andere Systeme anbinden zu können, sind von großer
Wichtigkeit. Systeme ohne diese Möglichkeit werden bei Anwendern keine Akzeptanz
finden.
• Verwendung von Tools: In der modernen Software-Entwicklung ist die Verwendung von
diversen den Entwicklungsprozess unterstützenden Spezialwerkzeugen notwendig.
Derartige Werkzeuge sollten unabhängig vom jeweiligen Anbieter von allen CAE
Systemherstellern integrierbar und verwendbar sein.
Weiterhin sind eine Standardisierung des elektrotechnischen Arbeitsprozesses und der
Entwurf eines allgemeingültigen Modells, das mehrere Technologien aufeinander abbildbar
macht, notwendig.
3.3 Realisierungsansätze und Basistechnologien
3.3.1 Objektorientierte Softwareentwicklung
Die meisten der Ende der Neunziger Jahre verfügbaren Elektrotechnik-CAD Systeme wurden
ohne die Methoden des modernen Software Engineering entwickelt. Dadurch, und durch die
Tatsache, dass die Systeme über bis zu 10 Jahre hinweg um neue Funktionen erweitert und
verbessert wurden, sank ihre Wartbarkeit überproportional zu ihrer Leistungsfähigkeit
beziehungsweise zu ihrem Funktionsumfang. Die Entscheidung, eine neue Systemgeneration
zu entwickeln sollte daher für die Systemhäuser auch den Übergang vom herkömmlichen
Entwicklungsprozess hin zum objektorientierten Software Engineering markieren.
Die objektorientierte Softwareentwicklung wird üblicherweise in 5 Phasen aufgeteilt:
1. Anforderungsanalyse
2. Rechnergestütztes Design und Modellierung
3. Implementierung
4. Validierung
5. Wartung

Bild 2: Phasen der Systementwicklung
Während bei der in den Achtziger Jahren üblichen Softwareentwicklung der Schwerpunkt auf
die Codierung gelegt und die Modellierung und das Design vom Programmierer „nebenbei“
erledigt wurden, findet heute unter dem Einfluss des Paradigmas der objektorientierten
Software-Entwicklung eine Umverteilung der Hauptanteile an der Entwicklungszeit, weg von
der Implementierung (Codierung) hin zur Anforderungsanalyse und dem Design, statt. Die
Implementierung beschränkt sich auf die Umsetzung der in der Analyse- und
Modellierungsphase gefundenen Strukturen und Ablaufprozesse in hochwertigen
Programmcode. Die Codierung sollte sich an einheitlichen Vorgaben (Styleguides)
orientieren. Schon in einem frühen Stadium der Softwareentwicklung sollten rechnergestützte
Werkzeuge zur Unterstützung von objektorientierter Analyse und Design genutzt werden. Mit
Hilfe von CASE-Werkzeugen können Klassen, Objekte und ihre Beziehungen untereinander
leicht identifiziert, modelliert und visualisiert werden.
Die objektorientierte Entwicklung liefert die Grundlage für eine erheblich verbesserte Wart –
und Erweiterbarkeit der Systeme.
3.3.2 Allgemeine Basistechnologien
Bei der Entscheidung ein neues Softwareprodukt zu entwickeln, sollte von Anfang an ein
Hauptaugenmerk darauf gerichtet werden, allgemeine Basistechnologien einzusetzen. Unter
dem Begriff „Basistechnologie“ werden alle Systemkomponenten zusammengefasst, die von
verschiedenen Anbietern zugekauft und eingesetzt werden können. Beispiele hierfür sind
Datenbanken, Werkzeuge zur Erstellung von Benutzungsoberflächen, CORBA-
Implementierungen zur Entwicklung von verteilten Client-Server-Systemen sowie
Werkzeuge, welche die Kommunikation über das Internet/Intranet unterstützen.
Basistechnologien sind in der Regel zuverlässige und leicht integrierbare Komponenten auf
hohem Entwicklungsstand. Allerdings sollte durch eine Kapselung ein hoher Grad der
Unabhängigkeit von der jeweils zugrundeliegenden Basistechnologie sichergestellt werden.

3.3.3 Anpassung an die betrieblichen Arbeitsprozesse
Von zunehmender Relevanz in den Unternehmen ist die Abstimmung der Arbeitsabläufe und
Datenflüsse. Häufig werden die Prozesse der Produktentwicklung einzeln untersucht und nach
vorgegebenen Kriterien optimiert. Dadurch ergeben sich in den Einzelprozessen
Rationalisierungspotentiale, wodurch in gewissen Umfang auch der Gesamtprozess verbessert
wird. Aufgrund der fehlenden Durchgängigkeit der Optimierung bleiben aber immer noch
erhebliche „Reibungsverluste“ zwischen den einzelnen Arbeitsschritten beziehungsweise
Fachabteilungen bestehen. So werden zum Beispiel Daten in verschiedenen Abteilungen
häufig mehrfach erfasst oder verschiedene Datenformate für die selben Daten verwendet, was
aufwendige Konvertierungen nach sich zieht.
Aus diesen Gründen sollte die Optimierung der Einzelprozesse zwar nicht vernachlässigt
werden, das Hauptaugenmerk sollte aber auf die Verbesserung des gesamten Engineering-
Prozess gerichtet sein. Dazu müssen alle beteiligten Instanzen (Entwickler, Management,
Produktion bzw. die jeweiligen Unterabteilungen) mit einbezogen werden. Das Ziel muss
sein, die betriebsinternen Abläufe und die verwendeten (Software-)Werkzeuge optimal
aufeinander abzustimmen, so dass zum Beispiel auf einer gemeinsamen Datenbasis gearbeitet
werden kann.
Elektrotechnik-CAD Systeme sollten jedoch nicht die Funktionalitäten von PPS, PDM, etc.
nachbilden, sondern nur standardisierte Schnittstellen bereitstellen und sich ferner auf die
Bereitstellung der für die Elektrokonstruktion notwendigen Funktionen konzentrieren.
Wichtig sind also standardisierte Formate zur Speicherung und zum Austausch sämtlicher
Produktdaten. Die Antwort auf dieses Problem ist STEP (Standard for the Exchange of
Product Model Data). STEP ist ein ISO-Standard (ISO-10303), der entwickelt wurde, um
Daten zwischen unterschiedlichen CAD/CAM- und PDM-Systemen über ein
anwendungsneutrales Datenformat austauschen zu können. Für weitere Informationen bzgl.
STEP sei auf [3] verwiesen.
3.3.4 Simultaneous Engineering
Um eine Verkürzung der Entwicklungszeit zu erreichen wird angestrebt, die
Entwicklungsschritte nicht mehr rein sequentiell auszuführen, sondern sie soweit wie möglich
zu parallelisieren.
In der ersten Stufe des Electrical Engineerings beginnt der Elektrokonstruktionsprozess mit
dem Abschluss der Mechanikkonstruktion. Das heißt, erst wenn die Konstruktion der
mechanischen Komponenten des Produkts oder der Anlage vollständig abgeschlossen ist,
beginnt der Elektrokonstrukteur mit seiner Arbeit. Dies bedeutet: Sollte es in der
Mechanikkonstruktion zu Verzögerungen kommen, muss die Elektrokonstruktion unter
hohem Zeitdruck fertiggestellt werden. Diesem Problem und der Forderung nach Verkürzung
der Entwicklungszeit versucht man in der 2. Stufe mittels Simultaneous Engineering (SE)
innerhalb des Elektrokonstruktionsprozesses zu begegnen. Die dadurch erreichte Verkürzung
der Projektdurchlaufzeit von nur 5 bis 10 %, bleibt hinter den Erwartungen zurück, da der
zeitgleiche Zugriff häufig zu Locking-Problemen führt. Deshalb versucht man in der 3. Stufe
wiederum das Konzept des SE auf den kompletten Entwicklungsprozess auszudehnen. Schon
während der Mechanikkonstruktion werden Teile der Elektrokonstruktion parallel erledigt.
Dies erbringt nochmals einen Zeitvorteil, so dass eine Reduzierung der Bearbeitungszeit von
etwa 20 bis 30 % zu erwarten ist.

Bild 3: Simultaneous Engineering
Die Realisierung eines solchen Workgroup-Konzepts setzt einige Bedingungen voraus:
Modellorientiertes Engineering
• Anwenderorientierte Sichten auf das Engineering Modell
• Eine ausgereifte Zugriffs- und Versionsverwaltung auf Projekt- und Abteilungsebene
• Frühzeitige bedarfsgerechte Bereitstellungen von Informationen
• Nutzung von abteilungsübergreifendem Know-how
• Aufgabenabgrenzung zwischen den Abteilungen
• Workflow-Management
Das Workgroup-Konzept und die damit verbundenen abteilungs- oder sogar
unternehmensübergreifenden Zusammenarbeit machen ein völlig neues Konzept in der
Ressourcen- und Zugriffsverwaltung nötig. Jeder Mitarbeiter, ob fest angestellter oder auf
Basis der Kooperation mit anderen Unternehmen mitarbeitender, darf nur Zugriff auf die für
ihn relevanten Konstruktionsdaten- und Werkzeuge haben. Der Zugriff auf die gemeinsamen
Ressourcen muss synchronisiert werden, insbesondere im Hinblick auf das Simultaneous
Engineering bei dem möglicherweise mehrere Konstrukteure gleichzeitig mit den selben
Daten arbeiten. Die Frage der Konsistenz und Integrität der Daten wird in der Regel der
benutzten objektorientierten Datenbank (siehe Basistechnologien) überlassen. Für die
Zugriffsverwaltung wird aber normalerweise keine so einfache Lösung zu finden sein. Der
von den meisten heute für den E-CAD Einsatz genutzten Betriebssystemen bereitgestellte
Zugriffsmechanismus (Benutzer- und Gruppen auf Dateiebene), ist für die Anforderungen in
der Benutzerverwaltung für das E-CAD Projektmanagement nicht geeignet. Es muss möglich
sein, eine hierarchische Struktur von Zugriffsstufen aufzubauen, in der jede Stufe die Rechte
der jeweiligen niedrigeren Stufen beinhaltet. Außerdem sollte die Systemadministratoren die
Möglichkeiten haben, systemweite, projektbezogenen und benutzerspezifische Zugriffsrechte
zu definieren. Am ehesten den Anforderungen in der Projektverwaltung für E-CAD Systeme

der nächsten Generation werden hierarchische Verzeichnisdienste in Anlehnung an die X.500-
Standards gerecht, wie z.B. die NetWare Directory Services von Novell oder das Active
Directory von Microsoft.
3.3.5 Benutzungsschnittstellen für E-CAD Systeme
Um eine Steigerung der Leistungsfähigkeit in der Elektrokonstruktion zu erreichen, ist nicht
nur die Adaption der Arbeitsprozesse und die Integration der Werkzeuge in das DV-Umfeld
des Unternehmens erforderlich, auch die Leistungsfähigkeit des Konstrukteurs bei der
Benutzung des E-CAD Systems muss gesteigert werden. Die Leistungsfähigkeit des
Benutzers eines CAD Systems hängt aber in entscheidendem Maße von der
Leistungsfähigkeit der Benutzungsschnittstelle, über die er mit dem System kommuniziert, ab.
Nur wenn der Konstrukteur die angebotene Funktionalität auch effizient nutzen kann, indem
er von der Benutzungsschnittstelle in effektiver Weise unterstützt wird, wird er seine
Arbeitsleistung steigern können. Aus diesem Grund sollen im folgenden die Aspekte der
Mensch-Maschine-Kommunikation und ihre Umsetzung, in eine benutzerfreundliche und
damit leistungssteigernde graphische Benutzungsschnittstelle, näher erläutert werden.
Das Ergonomiekonzept für Benutzungsschnittstellen beschreibt Anforderung, die aufgrund
der physischen und psychischen Leistungsfähigkeiten des Benutzers an eine graphische
Benutzungsschnittstelle gestellt werden müssen. Hierbei sind insbesondere „Aspekte der
menschlichen Interaktivität, Kreativität und Kognitivität“ zu beachten. Da ein
Computersystem, zumindest heute noch, nur über die menschlichen Sinne Sehen, Hören und
in geringem Umfang auch Fühlen, mit dem Benutzer kommunizieren kann, muss es diesen
entgegenkommen. Aus diesem Grund ist für die Entwicklung einer effizient nutzbaren
Schnittstelle das Verständnis der menschlichen Wahrnehmung und der Verarbeitung der
Daten im Gehirn von grundlegender Bedeutung. Je mehr Sinne des Anwenders die
Benutzungsschnittstelle anspricht und je mehr sie der menschlichen Arbeitsweise
entgegenkommt, desto besser wird die Kommunikation zwischen beiden funktionieren. Da
aber 60% der menschlichen Perzeption aus visuellen Informationen besteht, wird man sich
beim Design einer Mensch-Maschine-Schnittstelle auf den Gesichtssinn konzentrieren und
nur dort, wo es sinnvoll erscheint auf zum Beispiel akustische Signale zurückgreifen. Vor
allem ist ein Verständnis des Lernprozesses und des Gedächtnisses wichtig, um eine rasche
Einarbeitung des Benutzers in das System zu gewährleisten.
Die Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn funktioniert nach folgendem Schema:
Informationen von den Wahrnehmungsorganen werden an das Kurzzeitgedächtnis übermittelt
und dort zwischengespeichert. Dabei wird eine Reduktion der Daten, über Mustererkennung
und assoziative Verweise auf Basis des im Langzeitgedächtnis gespeicherten Wissens,
vorgenommen. Als Grundregel gilt das im Kurzzeitgedächtnis im Schnitt sieben plus/minus
zwei Symbole/Informationen gleichzeitig gehalten werden können. In Abhängigkeit von der
Anzahl der gleichzeitig gespeicherten Symbole können Informationen unterschiedlich lang
zwischengespeichert werden, etwa 73 Sekunden bei einem oder 7 Sekunden für drei Symbole.
Abhängig von der Art der Information wird ein Reaktions- und/oder Lernvorgang eingeleitet.
Für ein CAD-System bedeutet das [2]:
• Anpassung der Datenausgabe an die Physiologie des Menschen und die Menge der
auftretenden Daten an die Aufnahmefähigkeit des Menschen (Kapazität des Kurzzeit- und
Lernfähigkeit und Abstraktionsvermögen des Langzeitgedächtnisses).

• Formatierung und Präsentation der Daten, so dass sie richtig erkannt und weiterverarbeitet
werden können. Dabei spielen die Gruppenbildung zusammenhängender Kontexte, eine
verständliche Symbolik und eine Kennzeichnung der wichtigen Elemente eine
entscheidende Rolle.
• Kanalisierung der Datenflut, so dass es beim Menschen zu keiner Unter- oder
Überforderung kommt.
• Adaption des Systems an die Arbeitsweise des Menschen, d.h. bestimmte Gewohnheiten
wirken sich direkt auf den Dialog aus.
• Anregung der Initiative und Kreativität des Menschen.
Die durch das Ergonomiekonzept beschriebenen Anforderungen müssen in ein vorhersagbares
und einheitliches Dialogverhalten umgesetzt werden. Dieses sollte sich an den folgenden
Aspekten orientieren:
• Aufgabenangemessenheit
• Selbsterklärungsfähigkeit
• Steuerbarkeit
• Erwartungskonformität
• Fehlerrobustheit
Beschreiben lässt sich das Dialogverhalten durch Dialogelemente, Dialogformen,
Dialoghierarchien und Dialogzustände.
Die im Dialog mit dem CAD System verwendete Sprache sollte sich an der spezifischen
Fachsprache des Benutzers orientieren, unter keinen Umständen sollte es zu einer
Vermischung von Begriffen aus der Arbeitswelt des Anwenders und der Computertechnik
kommen, damit die unter den Elementen verborgenen Funktionen eindeutig identifiziert
werden können. Abkürzungen sollten, wenn möglich, vermieden werden. Sollte es trotzdem
notwendig sein sie zu benutzen, sollten sie nach einheitlichen oder standardisierten Regeln
gebildet werden (z.B. DIN 2340). Zudem sollten alle Texte, Zahlen, Maßeinheiten und so
weiter nach landesüblichen Standards formatiert sein. Beim Wechsel der Sprache, der
jederzeit möglich sein sollte, muss sich diese Formatierung automatisch anpassen. Wo immer
möglich, sollten graphische Darstellungen (z.B. Icons, Slider, Drehknöpfe, Diagramme) zum
Einsatz kommen, da graphische Zusammenhänge in der Regel sehr viel schneller erkannt
werden können als zum Beispiel einfache Zahlenwerte in Tabellen.
Der Grundgedanke, von dem man sich beim Entwurf der Benutzungsschnittstelle für ein CAD
System leiten lassen sollte, ist die Bedienbarkeit durch den Benutzer. Der Aufbau des
Dialogsystems sollte so ausgelegt sein, dass der Benutzer den Dialogablauf bestimmen und
kontrollieren kann. Es sollte ihm zu jedem Zeitpunkt möglich sein, Aktionen oder Eingaben
rückgängig zu machen oder wiederholen zu können. Dadurch wird der Anwender ermutigt,
ihm unbekannte Funktionen auszuprobieren, ohne Angst davor haben zu müssen, die
geleistete Arbeit zu ruinieren. Dies ist vor allem für den mit der Bedienung des Systems noch
ungeübten Benutzer eine wertvolle Hilfe in der Einarbeitungszeit. Zusätzlich sollte es möglich
sein, eine Aktion über mehrere Eingabevarianten zu initiieren, so zum Beispiel durch
Auswählen mit der Maus, über Tastenkürzel (short-cuts) oder mittels einer
Kommandosprache.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt für die Akzeptanz der Benutzungsschnittstelle ist die
Tiefe der Dialoghierarchie. Ein CAD System, bei dem man sich zur Auswahl einer Funktion
erst durch endlos verschachtelte Menüstrukturen kämpfen muss, wird, auch wenn es noch so
tolle Möglichkeiten für die Konstruktion bietet, keine Freude beim Anwender hervorrufen.
Solche langen Auswahlpfade sind zudem schlecht zu merken und verhindern ein rasches
Einarbeiten in die Bedienung des Systems. Deshalb sollten die Hierarchien im Benutzerdialog
möglichst flach, bis zu drei Ebenen, und übersichtlich sein. Die am häufigsten gebrauchten
Funktionen sollten mit wenigen, oder besser mit nur einem Mausklick, zu erreichen sein.
Modi, d.h. Zustände, in denen nur bestimmte Aktionen erlaubt sind, sollten möglichst
vermieden werden. Sollte sie dennoch zum Einsatz kommen, ist auf eine eindeutige
Kennzeichnung zu achten.
3.3.6 Konfigurationsmanagement
Um ein effektives Arbeiten mit dem CAD System zu gewährleisten, muss es dem Benutzer
erlaubt sein, die Oberfläche seinen persönlichen Vorstellungen und Wünschen anzupassen.
Darunter fällt unter anderem die Sprache, die Anordnung der Fenster und Bedienelemente, die
Reihenfolge der Menüeinträge, der Umfang der zur Verfügung gestellten Funktionen oder der
Grad der Unterstützung durch das System (Online-Hilfe, Assistenten). In das CAD
spezifische Konfigurationsmanagement fällt jedoch nicht die von den üblichen
Fenstersystemen (MS Windows, Motif, etc.) schon angebotenen systemweiten Einstellungen
für Farben, Schriften, das Mausverhalten, etc. Die einmal getroffenen Entscheidungen müssen
jederzeit rückgängig zu machen sein, d. h. es muss eine Möglichkeit angeboten werden, die
Standardeinstellung wiederherzustellen. Außerdem sollte die Konfiguration des Benutzers an
jedem Arbeitsplatz die selbe sein, und das im ganzen Abteilungsnetzwerk, unabhängig von
der jeweiligen Hardware- und Systemplattform.
3.3.7 Benutzungsführung/-unterstützung
Die bisher beschriebenen Eigenschaften von Benutzeroberflächen betrafen alle nur den
statischen Teil der Konfiguration der Benutzungsschnittstelle. Sehr wichtig ist aber auch der
dynamische Aspekt, d.h. die Benutzungsführung und -unterstützung. Dazu gehört unter
anderem:
• Ein kontextabhängiges Hilfesystem.
• Die Analyse des Benutzerverhaltens und die automatische Anpassung des
Systemverhaltens daran.
• Informative Rückmeldungen auf Aktionen des Benutzers (Feedback)
• Die Umkehr- oder Wiederholbarkeit von Aktionen durch den Benutzer (UNDO, REDO,
Makros).
• Eine dem Problem angemessene Darstellung der Daten.

Bild 4: Einflüsse auf die Gestaltung graphischer Benutzungsschnittstellen
Das Hilfesystem eines CAD Systems sollte aus drei Teilbereichen bestehen: Einer Online-
Hilfe, der kontextsensitive Hilfe zu jedem Dialogelement und jeder Funktion und einem
Assistentensystem, das den unerfahrenen Benutzer aktiv bei seiner Arbeit unterstützt. Die
Online-Hilfe muss zu jeder Zeit aufrufbar sein und dann kontextabhängige Informationen
liefern. Eventuelle vorhandene tiefer gehende Hilfetexte, welche im Zusammenhang mit den
momentan dargestellten Hilfetexten stehen, müssen über Hyperlinks erreichbar sein. Alle
Hilfetexte sollten außerdem ausdruckbar sein. Hilfen zu den Dialogelementen können auf
mehrere Arten realisiert sein, zum Beispiel durch das Einblenden eines kurzen
Erläuterungstextes in der Statusleiste oder aber durch eine Art Sprechblase am direkten
Cursor, beides sobald der Mauszeiger über dem jeweiligen Element platziert wird. Das
interaktive Assistentensystem wiederum soll den Anwender bei der erstmaligen Benutzung
eines Programmmoduls mit Erklärungen zur Seite stehen und alle Schritte ausführlich
beschreiben, die zur Ausführung der gewünschten Aktion notwendig sind. Der Benutzer-
Assistent sollte jederzeit beendet werden können, beziehungsweise es muss möglich sein,
einzelne Teilschritte in der Erklärung zu überspringen, um den Benutzer nicht mit schon
vorhandenem Wissen zu langweilen. Auch im späteren Einsatz sollte es eine Möglichkeit
geben den Assistenten gezielt aufzurufen, um Erklärungen zu bestimmten Funktionen oder
der Realisierung von Entwurfsabläufen zu erhalten.
Alle Daten sollten auf eine Art präsentiert werden, die vom Benutzer schnell, einfach und
eindeutig zu interpretieren ist. Dabei ist auf eventuell vorhandene Doppeldeutigkeiten und
Ungenauigkeiten zu achten. Die Erkennbarkeit wird maßgeblich durch die Gruppierung der
Informationen bestimmt. Deshalb gilt [2]:
• Zusammengehörende Text- oder Graphikdaten sollten räumlich zusammenhängend
angeordnet sein.
• Daten sind in Spalten anzuordnen.
• Gruppen sollten farblich von einander abgegrenzt sein.

Außerdem sollte man folgende Regeln bei der Darstellungen von Informationen und beim
Entwurf von Dialogen beachten [2]:
• Zahlen mit mehr als vier Ziffern sollten, von rechts nach links, in Dreiergruppen
gegliedert sein (z.B. 34 345).
• Bei Bezeichnern, die aus Zahlen und Buchstaben bestehen, sollen leicht aussprechbare
Zeichenfolgen in Gruppen bis zu vier Zeichen, solche die nur buchstabiert werden können
in Gruppen zu drei Zeichen, gegliedert sein (z.B. DIN 66 234).
• Auswahlbegriffe sollten sortiert nach ihrer Wichtigkeit, untereinander angeordnet sein.
• Bei Aufzählungen sollten möglichst Zahlen nicht Buchstaben verwendet werden, d.h. 1, 2,
3 statt A, B, C.
• Menüeinträge sollen übersichtlich und in Funktionsgruppen strukturiert sein, d.h.
gleichartige Funktionen sollten in durch Separatoren getrennte Gruppen von 7±2
Einträgen eingeteilt werden.
• Der Benutzer sollte die Möglichkeit haben Menüeinträge zu editieren, d.h. zum Beispiel
sie Umzugruppieren oder die Position der Separatoren zu ändern.
• Texte sollten um die Lesbarkeit nicht zu beeinträchtigen nicht zu lang sein, jedoch sollten
Ausnahmen erlaubt sein um aussagekräftige Bezeichnungen nicht zu verhindern.
• Dialoge sollten einfach und intuitiv zu bedienen sein, darunter fällt zum Beispiele auch,
dass die Schaltfläche zum Verlassen des Dialogs, immer an der gleichen Stelle zu finden
ist. Oder das die Standardschaltfläche, also diejenige die automatisch ausgewählt ist, in
allen Dialogen einheitlich ist.
• Jedes Eingabefeld sollte durch einen Standardparameter initialisiert sein.
• Dialogfenster sollten wenn möglich nicht modal sein, modale sollten versteckt werden
können um darunter liegende Werte zu lesen.
Informative Rückmeldungen sind das A und O für den Benutzer der graphischen
Systemschnittstelle. Nur dann ist ein System richtig bedienbar, wenn sein aktueller Zustand
jederzeit sofort ersichtlich ist. So hat der Benutzer die Möglichkeit die ihm möglichen
Aktionen zu erkennen oder gezielt weitere Informationen vom System abzufragen. Es gibt
viele Möglichkeiten, Rückmeldungen zu realisieren und den aktuellen Systemzustand
darzustellen [2]:
• Anzeige des aktuellen Befehls.
• Fortschrittsanzeige und Zeitabschätzung für länger dauernde Aktionen.
• Anzeige einer Eingabesperre bei nicht parallelisierbaren Aktionen.
• Anzeige aller Aktionen die vom Benutzer gestartet wurden und der dazugehörigen
Fenster.
Einmal initiierte Aktionen müssen jederzeit vom Benutzer abbrechbar, wiederholbar oder
rückgängig zu machen sein. Wird eine Funktionsausführung abgebrochen, muss sichergestellt
werden, dass sich das System und die Daten wieder in einem definierten Zustand befinden.
In Zukunft wird es immer mehr Systeme geben, die das Verhalten des Benutzers analysieren
werden, um sich automatisch an ihn anzupassen. Ein modernes CAD System darf den
Benutzer nicht über- und unterfordern. Das heißt, es muss sich seiner Arbeitsweise und

Arbeitsgeschwindigkeit anpassen und ihn gegebenenfalls auch bei der Arbeit unterstützen.
Reagiert das System zu träge auf die Eingabe des Benutzers führt das zu einer Unterforderung
des Anwenders, und als Folge steigt seine Reaktionszeit stark an. „Eine Verlängerung der
Systemantwortzeit um 1s kann beim Benutzer zu einer Verlängerung der mittleren
Reaktionszeit um 10s führen“ [2]. Wird die Systemantwortzeit dann auf einmal kürzer, kann
das zu Fehlinterpretierungen und Fehleingaben führen. Das System sollte deshalb seine
Antwortzeit an die mittlere Reaktionszeit des Benutzers anpassen um eine Überforderung
durch zu hohe und eine Unterforderung durch zu niedrige Antwortzeiten zu vermeiden. Die
Analyse des Benutzerverhaltens darf sich aber nicht nur auf seine Reaktionszeit beschränken.
Aus der Anzahl der Aktionsabbrüche und UNDO-Aufrufe sowie aus der Reaktionszeit, lässt
sich auf den Kenntnisstand des Benutzers folgern. Dadurch kann der Grad der Unterstützung
durch das System automatisch den Fähigkeiten des Benutzers angepasst werden. Zum
Beispiel der Umfang der Hilfetexte, die Menge der Rückmeldungen oder die Anzahl der
Sicherheitsabfragen. Bei häufiger Fehlbedienung kann so auch automatisch Hilfestellung vom
System geleistet werden, in dem es gezielt nachfragt, welche Aktion der Benutzer
beabsichtigt habe und dann gezielt Lösungsmöglichkeiten vorschlägt. Der Benutzer darf aber
niemals das Gefühl verspüren der Rechner steuere seine Aktionen, sonder muss immer
denken, er sei der alleinige Herr der Lage.
4 Aktueller Realisierungs- und Entwicklungsstand
Ein Großteil der an die ECAD Systeme der dritten Generation gestellten Anforderungen
konnte bei der mittlerweile auf dem Markt befindlichen neuen Systemgeneration bereits in
zufrieden stellendem Maße umgesetzt werden, andere hingegen konnten nur teilweise
realisiert werden, und wiederum andere befinden sich nach wie vor im Forschungsstadium.
Das folgende Kapitel soll die diesbezüglichen Gegebenheiten zusammenfassen.
Einer der wesentlichen Ergebnisse in Bezug auf die Neuentwicklung der dritten
Systemgeneration besteht darin, dass die am Markt etablierten Systemhersteller mittlerweile
ihre Anwendungspakete erfolgreich auf die PC-Plattformen Windows 95/98/NT/2000
(einschließlich entsprechender Derivate), und zum Teil auch auf LINUX portieren konnten.
Notwendig wurde diese Portierung, da die Mehrzahl der Kunden eine Migration von den
ehemals überwiegenden UNIX-Workstations zu heute nahezu genauso leistungsfähigen, aber
erheblich preiswerteren PC-Systemen verlangte. UNIX-Plattformen sind mittlerweile fast
vollständig vom Markt verschwunden. Im Rahmen dieser Portierung wurden im wesentlichen
die Funktionalitäten der früheren Systeme unter Verwendung objektorientierter
Basistechnologien in revisierter Form nachgebildet. Zwar wurden hierbei in der Regel auch
objektorientierte Datenmodelle aufgebaut, eine diesbezügliche partielle oder gar vollständige
Umsetzung der CAD-Referenzmodellarchitektur innerhalb einer nicht prototypischen
Electrical Engineering Solution ist derzeit jedoch nicht bekannt. Es herrschen also weiterhin
branchenweit proprietäre Datenmodelle vor.
Des weiteren zeichnen sich die Neuentwicklungen der diversen Systemhersteller durch
moderne Benutzeroberflächen im typischen Windows „Look & Feel“ aus, wobei
entsprechende für den Aufbau von CAD Benutzeroberflächen einzuhaltende Richtlinien und
Empfehlungen berücksichtigt wurden. Als Beispiele für solche Richtlinien seien hier das so
genannte ergonomische Konzept [2] sowie Gestaltungsrichtlinien für den Aufbau graphischer
Benutzeroberflächen für CAD-Systeme der Gesellschaft für Informatik [4] genannt. Derartige
Richtlinien und Empfehlungen dienen zur Schonung der Gesundheit der Anwender, zur
Aufrechterhaltung der Konzentrationsfähigkeit, zur Förderung einer möglichst intuitiven

Bedienbarkeit sowie zur optimalen Unterstützung fachspezifisch typischer Handlungsweisen.
Die in den Anforderungen an eine neue Systemgeneration gewünschten Mechanismen einer
intelligenten Konstruktionsunterstützung konnten bisher nicht realisiert werden. Eine
anwenderspezifische Anpassbarkeit (Customizing) der Benutzeroberfläche – in der Regel auf
mehrsprachige, frei definierbare Menüs beschränkt – gehört jedoch mittlerweile bei allen
Systemen zum Standard.
Ferner wurden bei der Neuentwicklung der dritten Systemgeneration wesentliche
Verbesserungen in Bezug auf deren Funktionalitäten zum internen und externen CAD-
Datenaustausch vorgenommen.
Was den Bereich des international standardisierten Datenaustauschs angeht, konnten im
Bereich der Elektrotechnik beträchtliche Erfolge in Hinblick auf die Umsetzung der
umgangssprachlich als STEP [5] bezeichneten und bereits 1984 initiierten Norm ISO 10303
erzielt werden. Die Entwicklung des für den Elektrobereich wichtigsten STEP-
Anwendungsprotokolls AP212 [6] ist mittlerweile abgeschlossen und liegt als verabschiedete
Norm ISO 10303-212 vor [7]. Zum jetzigen Zeitpunkt existiert allerdings weltweit noch kein
ECAD System, dessen Datenstruktur dem STEP-Standard AP 212 entspricht. Ferner kann
bisher kein einziges ECAD-System sein proprietäres Modellformat nach STEP konvertieren
bzw. umgekehrt vollständige STEP-Modelle einlesen.
Für einen umfassenden Austausch von elektrotechnischen CAD-Modellen reicht das AP212
aufgrund von Überschneidungen mit anderen Engineering-Bereichen allerdings nicht aus. Vor
allem für den Bereich Schaltschrankbau werden umfangreiche geometriebezogene Daten für
mechanische CAD-Modelle benötigt, die mittlerweile zum Teil automatisiert aus der
elektrotechnischen Konstruktion bzw. der darin enthaltenen Bauteiledaten exportiert bzw.
generiert werden können. Somit muss – je nach Aufgabenspezifikation – zum umfassenden
Datenaustausch von ECAD-Produktmodellen unter anderem auch das STEP-
Anwendungsprotokoll AP214 [8] sowie eine Reihe weiterer Anwendungsprotokolle zur
Unterstützung fertigungsbezogener Prozesse mit einbezogen werden.
In Hinblick auf den auf nationaler Ebene erforderlichen Datenaustausch zwischen
verschiedenen ECAD Systemen, speziell vor dem Hintergrund der systemunabhängigen
Verwendung von Bauteilekatalogen verschiedenster Anbieter bzw. Zulieferer, konnten
ebenfalls erhebliche Fortschritte erzielt werden. Hier haben sich die führenden Hersteller von
Elektro-CAD Systemen zusammengeschlossen, und gemeinsam die so genannte ECAD-
Bauteilenorm (PartsLib) als industriellen Quasi-Standard entwickelt [9]. Neben der
Beschreibung des Dateiformates spezifiziert die ECAD-Bauteilenorm insbesondere
gerätegruppenspezifische Sachmerkmalleisten und stellt damit dem Markt eine extrem
leistungsfähige Schnittstelle zur Verfügung, die vor allem die für die Projektierung
elektrotechnischer Anlagen und Maschinen relevanten elektrotechnischen
Bauteileigenschaften detailliert umfasst. Auf diese Weise kann den Anwendern von ECAD
Systemen ein umfassendes und aktuelles Angebot an Bauteilkomponenten einschließlich aller
im System benötigten technischen und kommerziellen Informationen eröffnet werden. Die
meisten Hersteller und Lieferanten elektrotechnischer Bauteile bieten inzwischen der E-CAD-
Bauteilenorm entsprechende Bauteilkataloge an, die von den Systemen eingelesen werden
können.
Obwohl die ECAD-Bauteilenorm lediglich einen nationalen Standard repräsentiert, verliert
sie mit der Verfügbarkeit des STEP-Standards keinesfalls an Bedeutung. Sie lässt sich mittels
der STEP-Beschreibungssprache EXPRESS sowie deren graphischen Repräsentation

EXPRESS-G [5, 10] prinzipiell in STEP abbilden. Damit stellt die ECAD-PartsLib einer
systemneutrale, modular einsetzbaren Erweiterung eines STEP-Datenmodells dar.
Neben den oben beschriebenen Neuerungen fanden im Bereich des
Datenaustauschfunktionalitäten überwiegend Optimierungsarbeiten an den bereits bei
früheren Systemgenerationen vorhandenen Standardschnittstellen wie VNS, DXF, IGES,
DWG, SET, EDIF, etc. statt.
Durch den Aufbau objektorientierter Datenmodelle ist heute prinzipiell bei allen Electrical
Engineering Solutions ein modellorientiertes Engineering möglich. Konkret bedeutet dies,
dass die Erstellung des Stromlaufplanes nicht mehr zwingend der obligatorisch erste Schritt
bei der Bearbeitung eines Projektes sein muss [11]. Stattdessen ist es aufgrund der neuen
Datenmodelle sowie der zugrunde liegenden Datenbanksysteme möglich, an nahezu jeder
Stelle in das Engineering einzusteigen [12]. Somit konnte ein wesentlicher Fortschritt in
Richtung Concurrent Engineering im Sinne eines durchgängigen Engineering vom
Stromlaufplan bis hin zur Fertigungsdokumentation erzielt werden [13]. Zur Zeit sind
allerdings keine Systeme bekannt, bei denen sich Concurrent Engineering auch über
Unternehmensstandorte hinweg praktizieren lässt.
In engem Zusammenhang zu einem weltweit verteilt stattfindenden Concurrent Engineering
steht die Nutzung des Internets. Beispielsweise für die Montage und Inbetriebnahme einer
Anlage wird deren vollständige Elektrodokumentation benötigt. Während in der
Vergangenheit hier lediglich Papierversionen zur Verfügung standen, bieten einige Hersteller
mittlerweile erste Online-Dienste an. So kann beispielsweise ein Monteur über das Internet
den jeweils aktuellen Dokumentationsstand einer Anlage – gewöhnlich als PDF-Datei –
zwecks Information, Montage, Inbetriebnahme, etc. von einem mit dem Internet verbundnen
Rechner einsehen und nutzen. Dabei auffallende Fehler können innerhalb der Dateien
kenntlich gemacht und per E-Mail der Konstruktionsabteilung mitgeteilt werden. Somit
können Fehlerinformationen rasch in die Konstruktion zurückfließen, um nach deren
Behebung sofort dem Anwender wieder die neueste, fehlerfreie Version der
Elektrodokumentation online anbieten zu können [14].

Erhebliche Fortschritte konnten durch die neuartigen Electrical Engineering Solutions in
Bezug auf die Unterstützung der Fertigung nachgelagerter Prozesse erzielt werden. Hier lag
der Handlungsschwerpunkt bei der automatisierten Erstellung von Schaltschrank-Layouts
basierend auf den typischen Grunddaten einer Elektrokonstruktion [15]. Nahezu jedes derzeit
auf dem Markt befindliche System verfügt mittlerweile über ein entsprechendes Zusatzmodul,
Anforderung / Realisierungsstatus
Einsatz von Software-Engineering, CASE-
Tools und anderer Basistechnologien bei der
Systementwicklung
Adaptive und intelligente (graphische)
Benutzerschnittstellen
vollständig
realisiert
teilweise
realisiert
Multimediale Interaktionsunterstützung
nicht
realisiert
Umsetzung des CAD-Referenzmodells
Aufbau neuer objektorientierter Datenmodelle
(proprietär)
Unterstützung von modellorientiertem
Electrical Engineering
Unterstützung von Concurrent Engineering
Intelligente Konstruktionsunterstützung
Analyse von Konstruktionsdaten
Unterstützung von effizienter
Komponententechnik und
Variantenkonstruktion
Automatisiertes Schaltschrank-Layout und
Kabelrouting
Weitere Fertigungsunterstützung
Standardisierter Datenaustausch (national)
Standardisierter Datenaustausch
(international)
Tabelle 1: Realisierungsstati bzgl. gestellter Hauptanforderungen an die dritte ECAD Systemgeneration
dass ein weitgehend automatisiertes Schaltschrankdesign ermöglicht [16]. Auch für die im
Hinblick auf die Montage des Schaltschrankes notwendige Kabelkonfektionierung liegen
erste Lösungen vor. So bieten einige Systemhersteller Routingverfahren zur Ermittlung
optimaler Verdrahtungswege sowie zur automatisierten Kabellängenberechnung an. Mit
diesen Daten können Kabelkonfektionierungsanlagen Kabel der benötigten Länge
einschließlich Anschlussbeschriftungen erzeugen [17] und teilweise sogar automatisiert ganze
Kabelbündel erstellen [18]. Aktuelle Forschungsarbeiten im Umfeld des Schaltschrank-
Engineerings [19, 20] beziehen sich schwerpunktmäßig auf die automatische Verdrahtung in
Schaltanlagen [21] sowie auf die interdisziplinäre Ankopplung von ECAD Systemen und für
die mechanische Konstruktion von Schaltschränken spezialisierten MCAD Systemen [22]
einschließlich der Entwicklung entsprechender Schnittstellen [23, 24].
Eine weitere wichtige Anforderung, die an die ECAD-Systeme der dritten Generation gestellt
wurde, war die effiziente Unterstützung von Komponententechnik (Modularisierung) und
Variantenkonstruktion [25, 26]. In diesem Bereich konnten bisher keine nennenswerten

Resultate erzielt werden. Eine genauere Betrachtung dieser speziellen Thematik erfolgt in
Kapitel.
Ebenfalls nicht realisiert werden konnten bisher Ansätze zur intelligenten
Konstruktionsunterstützung. Im Umfeld des Elektro CAD sind hier bisher neben wenigen
prototypischen (in der Regel nicht praxistauglichen) Pilotprojekten keinerlei Erfolge bekannt.
Sofern einige Systemanbieter dennoch von intelligenter Konstruktionsunterstützung ihrer
Systeme sprechen, bezieht sich dies derzeit lediglich auf eine einfache – evtl. verbesserte oder
stabilisierte – Online-Kontrolle des Stromlaufplanes, wie sie bereits bei den Systemen der
zweiten Generation üblich war.
Systemmerkmal Art, Umfang, Bemerkung
Einsatzbereiche Konstruktion – Projektierung – Schaltanlagenentwurf – Anlagenund
Verfahrentechnik – Elektronik – Hydraulik/Pneumatik –
Automatisierung –Verkabelung – Kabelbäume –
Drahtkonfektionierung – Fahrzeugverkabelung – SPS – EMR –
Leittechnik – Klima und Haustechnik
Leistungseigenschaften Kontaktvergabe (autom.) – Klemm.-Nr. (autom.) – Stückliste –
Bestelliste – Geräteliste – Klemmplan – Geräteverdrahtungsplan –
Verbindungsplan – Anschlussplan – Kabelliste – Klemmliste –
Tabellarischer Klemmplan – Potentialliste – Netzliste –
Querverweisliste – Schaltschranklayout mit Autorouting (teilw.
Optional) – Etikettendruck
Systemhandhabung Frei definierbare Menüs – Kommandosprache (Makrosprache) –
Undo/Redo-Funktionalität – mehrsprachige Menüs/Dialoge –
Online-Hilfe (kontextsensitiv, benutzerkonfigurierbar) –
mehrsprachiges Handbuch
Datenverwaltung Datenbank (integriert): Access – ISAM – Object Store – Oracle –
ODBC – überwiegend: eigene
Datenbank-Schnittstelle: ASCII – Access – Excel – dBase –
SAP – ODBC – SQL – Oracle
Schnittstellen Standardformate: VNS – DXF – IGES – DWG – HP-GL – TIF –
PDF – EXF – ASCII – partiell vorhanden: ECAD-PartsLib – STEP
ECAD-Systeme: EPL – EXF (EPLAN) – RUPLAN – MGCAD –
Proren – WSCAD – CADdy – AutoCAD (jeweils maximal 1-2
Schnittstellen pro System)
MCAD-Systeme: CATIA – ME-10 – AutoCAD – PC-Draft –
Medusa – WSCAD – CADdy (jeweils maximal 1-2 Schnittstellen
pro System)
Programmiersprachen: C – C++ – Visual Basic – Lisp – Script –
PMS – DLL – PLL – CAE-Basic
Hardware Einsetzbare Rechner: PC/Intel-Pentium-Rechner
Hauptspeicher (mind. in MB): 64 – 128
Betriebssysteme: Windows 95/98/Me/NT/2000
Tabelle 2: Charakteristische Systemmerkmale bei aktuellen ECAD Systemen
Eine Zusammenstellung dessen, was bisher von den Hauptanforderungen an die dritte
Systemgeneration realisiert werden konnte, zeigt Tabelle 1. Einen systemunabhängigen

Überblick über die charakteristischen Merkmale und Funktionalitäten derzeit auf dem Markt
befindlicher Systeme vermittelt Tabelle 2.
5 Ursachen für Defizite des aktuellen Entwicklungsstandes
Vergleicht man die vor etwa fünf bis acht Jahren an CAE Systeme der dritten Generation
definierten Anforderungen mit dem heute erreichten Entwicklungsstand, so müssen in einigen
Teilbereichen doch erhebliche Defizite eingeräumt werden.
Einer der wesentlichen Gründe hierfür ist die Tatsache, dass die Systemhersteller aus
wirtschaftlichen Gründen in der Regel bis zur endgültigen Kundenverfügbarkeit der dritten
Systemgeneration die weiter im Einsatz befindlichen Systeme der zweiten Generation mit
einem verhältnismäßig hohen Aufwand weiter warten und pflegen mussten, und daher nur
beschränkte Ressourcen (Personal, Zeit, finanzielles Budget) für die parallele Entwicklung
einer vollkommen neuen Produktgeneration zur Verfügung stellen konnten.
Ein weiteres Problem bestand darin, dass an die Entwickler der neuen Systemgeneration
extrem hohe Anforderungen in Bezug auf die Beherrschung der Methoden und Werkzeuge
des modernen Software Engineering gestellt wurden und der diesbezügliche Bedarf an
qualifizierten Sofware-Ingenieuren, die zudem über Fachkenntnisse aus den Bereichen
Elektrotechnik und CAD/CAM-Technologie verfügten, aufgrund des zeitweise stark
ausgeprägten Fachkräftemangels in diesem Berufszweig nicht gedeckt werden konnte. In
diesem Zusammenhang sollte auch zugegeben werden, dass sowohl Kunden als auch
Systemhersteller den Einsatz modernen Ansätze und Methodiken der Informatik in Bezug auf
deren Komplexität und erfolgreiche Handhabung erheblich unterschätzt haben.
Darüber hinaus zeichnete sich bei der Entwicklung der neuen Systemgeneration rasch ab, dass
einige der an sie gestellten Anforderungen nur in enger Zusammenarbeit zwischen
Systemherstellern, Kunden, Normungs- und anderen Fachgremien sowie Anbietern von
elektrotechnischen Basisdaten (z.B. Bauteilkatalogen) sinnvoll in die Praxis umgesetzt
werden können. Zwar wurden diesbezüglich einige Arbeitsgruppen gegründet, dennoch
verlief die diesbezügliche Zusammenarbeit aus verschiedensten Gründen häufig nicht mit dem
notwendigen Nachdruck.
6 Ausblick
Lässt man die an die dritte Systemgeneration gestellten Anforderungen sowie den heute
erreichten Entwicklungsstand noch einmal vor dem geistigen Auge Revue passieren, so kann
insgesamt ein noch zufriedenstellendes Fazit gezogen werden. Die Mehrheit der derzeit auf
dem Markt befindlichen Systeme hat den Sprung zur Electrical Engineering Solution
geschafft. Die wichtigsten Kernanforderungen konnten auf breiter Basis umgesetzt werden,
wenn es auch erheblich mehr an Aufwand, Zeit und Kosten erfordert hat, als anfänglich
erwartet. Allerdings sei angemerkt, dass viele Systeme der so genannten dritten Generation
aufgrund ihrer erst kurzen praktischen Erprobungszeit dennoch zahlreiche Entwicklungsfehler
aufweisen, die in der Praxis nicht selten zu Systemabstürzen führen und zu deren Vermeidung
den Einsatz von den jeweiligen Systemherstellern angebotenen „Workarounds“ bzw. Patches
erfordern. Der Großteil der Basisarbeit an der dritten Systemgeneration konnte also
erfolgreich bewältigt werden. In den nächsten Jahren wird voraussichtlich die Stabilisierung

dieser Systeme sowie der Ausbau der mehr oder weniger komfortablen Zusatzfunktionalitäten
im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeit stehen.
Literaturangaben
[1] Roller, D. ; Dettlaff, B. ; Schneider, A.: Realisierung einer modernen ECAD-
Systemarchitektur in Anlehnung an das CAD-Referenzmodell. In: Ruland, D. (Hrsg.):
Tagungsband CAD ´96, Verteilte und intelligente CAD Systeme. DFKI GmbH,
Kaiserslautern, 1996, pp. 242-255
[2] Roller, D.: Adaptive und intelligente Benutzungsschnittstellen. In: Roller, D.; Achilles,
A.; Richert, U.; Schmich, M.; Verhaag, E.: Kosten- und Zeitreduzierung in der
Elektrokonstruktion und Anlagenprojektierung, expert Verlag, 1998, ISBN 3-8169-
1616-3, Seite 39-52
[3] „Introducing STEP“, The Foundation for Product Data Exchange in the Aerospace and
Defence Sectors, http://strategis.ic.gc.ca/STEPguide
[4] Gesellschaft für Informatik e.V., Fachausschuß 4.2 „Rechnerunterstütztes Entwerfen,
Projektieren und Fertigen“, Fachgruppe 4.2.1 „Rechnerunterstütztes Entwerfen und
Konstruieren“, Arbeitskreis 2 „Benutzungsoberflächen von CAD-Systemen“ (Hrsg.):
Ergonomische Gestaltung von CAD-Systemen. 1996 (Leitfaden ; GI-Empfehlung vom
26.01.1996).
[5] Owen, J.: STEP: An Introduction. - ISBN 1-874728-04-6
[6] Iso-Norm 10303-212: Industrial Automation Systems and Integration – Product Data
Representation and Exchange – Part 212: Electrotechnical Design and Installation.
International Organization for Standardization ISO/TC184/SC4, 1996
[7] N.N. : STEP AP214 und AP212 als internationale Standards veröffentlicht. In:
CAD/CAM REPORT 20 (2001), Dressler-Verlag, Heidelberg, Nr. 6, S. 7
[8] Iso-Norm 10303-214: Industrial Automation Systems and Integration – Product Data
Representation and Exchange – Part 212: Core Data for Automotive mechanical Design
Processes. International Organization for Standardization ISO/TC184/SC4, 1995
[9] Dreyer, T. ; Pleßow, M.: Standards in ECAD und ECAE. In: SPS Magazin (2001), Nr.
4+5, S. 98-101
[10] ISO-Norm 10303-11: Industrial Automation Systems and Integration – Product Data
Representation and Exchange – Part 11: EXPRESS language reference manual.
International Organization for Standardization ISO/TC184/SC4, 1994
[11] Richert, U.: Neue Impulse für die Elektrokonstruktion durch modellorientiertes
Engineering. In: Tagungsbang „Neue Generation con CAD/CAM Systemen“, Oktober
1997, VDI
[12] Lichtenberger, S.: Globales Electrical Engineering: Erfolgsstrategie heute und in
Zukuntf. In: CAD/CAM 18 (1999), Nr. 1, S. 66-69
[13] Schlenk, B.: Vom Stromlaufplan bis zur Fertigungsdokumentation. In: CAD-CAM
REPORT 20 (2001), Nr. 10, S. 72-75
[14] Barth, T.: Anlagendokumentation online freigeschaltet per Internet. In: CAD-CAM
REPORT 19 (2000), Nr. 5, S. 70-74

[15] Verhaag, E.: Steigerung der Produktivität beim Schaltschrankdesign. In: Roller, D.;
Achilles, A.; Richert, U.; Schmich, M.; Verhaag, E.: Kosten- und Zeitreduzierung in der
Elektrokonstruktion und Anlagenprojektierung, expert Verlag, 1998, ISBN 3-8169-
1616-3, Seite 67-75
[16] Brodmerkel, T.: Der schnelle Weg zum Schaltschrank-Layout. In: CAD-CAM REPORT
17 (1998), Nr. 10, S. 111-115
[17] Schlenk, B.: Fertigungsunterstützung bei Elektro-CAD-Systemen. In: CAD/CAM 17
(1998), Nr. 5, S. 105-108
[18] Hanzel, P.: Innovation bringt Synergien im Schaltschrankbau. In: ELEKTROTECHNIK
CAD: Neue Technologien, Anwendungen, Systementwicklung, Zukünftige Trends.
Aachen : Shaker, 2001. – Berichte aus der Konstruktionstechnik. – Tagungsband zum
Workshop in Stuttgart, 20. Juli 2001. - ISBN 3-8265-9042-2, S. 141-149
[19] N.N.: Schaltschrank-Engineering ganzheitlich betrachtet. In: ZwF Zeitschrift für
wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 94 (1999), Nr. 7/8, S. 179-380
[20] Schäfer, D. ; Roller, D. ; Pleßow, M.: Schaltschrank-Engineering als durchgängiger
Prozeß. In: CAD-CAM REPORT 20 (2001), Nr. 4, S. 66-69
[21] Vigerske, W. ; Goetze, B. ; Pleßow, M. ; Wrobel, G.: Automatische Verdrahtung in
Schaltanlagen. In: ZwF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 94 (1999), Nr. 1/2,
S. 59-63
[22] Reinhart, G. ; Hagen, F. v. d..: Verkabelungsplanung mit M-CAD- und E-CAD-
Lösungen. In: CAD-CAM REPORT 20 (2001), Nr. 1, S. 36-39
[23] Pleßow, M. ; Wrobel, G.: Vom ECAD-System zum MCAD-System – Ein XMLbasierter
Schnittstellenansatz. In: ELEKTROTECHNIK CAD: Neue Technologien,
Anwendungen, Systementwicklung, Zukünftige Trends. Aachen : Shaker, 2001. –
Berichte aus der Konstruktionstechnik. – Tagungsband zum Workshop in Stuttgart, 20.
Juli 2001. - ISBN 3-8265-9042-2, S. 107-127
[24] Schäfer, D. ; Roller, D.: XML – Grundlagen und Anwendungen des neuen
Internetstandards. In: CAD-CAM REPORT 20 (2001), Nr. 2, S. 28-33
[25] Roller, D.; Dettlaff, B.; Richert, U.: Rationalization in the Electrical Engineering
Process, in: Roller, D. (ed): Mechatronics - Advanced Development Methods and
Systems for Automotive Products, ISATA Proceedings, Automotive Automation Ltd.,
Croydon, England, 1996, pp. 279-284
[26] Roller, D. ; Schäfer, D. ; Richert, U.: Variantentechnologie in Elektrokonstruktion und
Anlagenprojektierung. In: CAD-CAM REPORT 17 (1998), Nr. 9, S. 90-97